DE19850505A1

DE19850505A1 - Verfahren und Einrichtung für eine adaptive B-Mode Bildverbesserung

Info

Publication number: DE19850505A1
Application number: DE19850505A
Authority: DE
Inventors: Larry Y L Mo; Steven C Miller
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-11-07
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 1999-05-12
Also published as: JPH11197151A; JP4107733B2; US5961461A; IL126773A0

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Ultraschall- Bildgebung von menschlichem Gewebe sowie Blut. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zur Verbesserung der Qualität eines B-Mode Ultraschallbildes.

Übliche Ultraschall-Bildgebungssysteme enthalten ein Array bzw. ein Feld von Ultraschallwandlern, die benutzt werden, um einen Ultraschallstrahl bzw. ein Ultraschallbündel auszusenden und sodann den von dem untersuchten Objekt reflektierten Strahl zu empfangen. Für eine Ultraschall-Bildgebung weist das Array typischerweise viele Wandler auf, die in einer Reihe bzw. Linie angeordnet sind und mit separaten Spannungen betrieben werden. Durch Auswählen der Zeitverzögerung (oder Phase) sowie der Amplitude der angelegten Spannungen können die einzelnen Wand ler derart gesteuert werden, daß sie Ultraschallwellen erzeu gen, welche sich zur Bildung einer resultierenden Ultraschall welle zusammen fügen, die entlang einer bevorzugten Vektorrich tung wandert und an einem ausgewählten Punkt im Strahlverlauf fokussiert wird. Es können mehrere Aktivierungen (firings) benutzt werden, um die Daten zu gewinnen, welche dieselbe anatomische Information darstellen. Die Bündelformungsparameter für jede der Aktivierungen können variiert werden, um eine Änderung hinsichtlich des maximalen Fokus' vorzusehen oder um in anderer Weise den Inhalt der empfangenen Daten für jede Aktivierung zu verändern, z. B. indem man aufeinanderfolgende Bündel entlang derselben Abtastlinie aussendet, wobei der Brennpunkt von jedem Strahl relativ zum Brennpunkt des vorheri gen Strahles verschoben wird. Durch Verändern der Zeitverzöge rung sowie der Amplitude der angelegten Spannungen kann der Strahl mit seinem Brennpunkt in einer Ebene bewegt werden, um das Objekt abzutasten bzw. zu scannen.

Dieselben Grundsätze gelten, wenn der Wandler verwendet wird, um den reflektierten Schall zu empfangen (Empfangsmodus). Die an den empfangenden Wandlern erzeugten Spannungen werden derart aufsummiert, daß das resultierende Signal kennzeichnend ist für den von einem einzelnen Brennpunkt in dem Objekt reflektierten Ultraschall. Wie bei dem Sendemodus wird dieser fokussierte Empfang von Ultraschallenergie erreicht, indem man dem Signal von jedem Empfängerwandler separate Zeitverzögerungen (und/oder Phasenverschiebungen) sowie Verstärkungen zuteilt.

Fig. 1 zeigt ein konventionelles B-Mode Ultraschall-Bild gebungssystem mit einem Bündelformer 2, einem B-Mode Prozessor 4, einer Abtastumsetzung/Displaysteuerung 6 sowie einem Kernel bzw. Kern 8. Die Systemsteuerung liegt zentral in dem Kern, der über eine Bedienerschnittstelle 10 Bedienereingaben aufnimmt und seinerseits die verschiedenen Systeme steuert. Die Haupt steuerung 12 führt Steuerfunktionen auf der Systemebene aus. Sie nimmt Eingaben vom Bediener über die Bedienerschnittstelle 10 sowie Systemzustandsänderungen auf und nimmt entsprechende Systemänderungen entweder direkt vor oder über die Abtaststeue rung. Der Systemsteuerbus 14 bildet die Schnittstelle von der Hauptsteuerung zu den Untersystemen. Der Abtaststeuerungsse quenzer bzw. die Folgesteuerung 16 für die Abtastung liefert Echtzeit-(akustische Geschwindigkeitsvektor-)Steuereingänge an den Bündelformer 2, den System-Zeitsteuergenerator 24 den B- Mode Systemprozessor 4 und den Abtastkonverter 6. Ein Abtast steuerungssequenzer 16 wird von dem Host- bzw. Hauptrechner mit den Vektorfolgen sowie den Synchronisationsoptionen für die Gewinnung von akustischen Bildern programmiert. Der Abtast steuerungssequenzer sendet die von dem Hauptrechner definierten Vektorparameter über den Abtaststeuerbus 18 an die Untersyste me.

Der Hauptdatenpfad beginnt mit den analogen HF Eingängen von einem Wandlerarry 20 an den Bündelformer 2. Der Bündelformer 2 konvertiert das analoge Signal in einen Strom von digitalen Abtastwerten bzw. Sampels und gibt zwei aufsummierte digitale Empfangsbündel am Ausgang ab, die in Fig. 1 als komplexe Daten I,Q gezeigt sind, die jedoch im allgemeinen auch Daten mit Hochfrequenz oder einer mittleren Frequenz sein können. Die I,Q Daten werden in den B-Mode Prozessor 4 eingegeben und als prozessierte Vektor(bündel)daten an den Abtastumsetzer/Displayprozessor 6 ausgegeben. Der Abtastumsetzer nimmt die prozessierten Vektordaten auf und gibt die Videodisplaysignale für das Bild an einen Farbmonitor 22 aus.

Gemäß Fig. 2 enthält ein konventionelles Ultraschall- Bildgebungsystem ein Wandlerarray 20, das mehrere separat betriebene Wandlerelemente 26 aufweist, von denen jedes einen Ausstoß (burst) von Ultraschallenergie erzeugt, wenn es durch einen Impulsverlauf, der von einem Senderabschnitt des Bündel formers 2 erzeugt wird, mit Energie beaufschlagt wird. Die von dem untersuchten Objekt zurück zum Wandlerarray 10 reflektierte Ultraschallenergie wird von jedem empfangenden Wandlerelement 26 in ein elektrisches Signal umgesetzt und über einen Satz von Sende/Empfangsschaltern (T/R) 28 separat an einen Empfangsab schnitt des Bündelformers 2 angelegt. Die T/R Schalter 28 sind in üblichen Fällen Dioden, welche die Empfangselektronik vor den von der Sendeelektronik erzeugten hohen Spannungen schüt zen. Das Sendesignal veranlaßt die Dioden, das an den Empfangs abschnitt gehende Signal abzuschalten oder zu begrenzen.

Die Sende- und Empfangsabschnitte des Bündelformers werden unter der Steuerung einer (nicht gezeigten) Bündelformersteue rung betrieben, die auf Befehle von einem menschlichen Bediener anspricht. Die Elemente des Wandlerarrays 20 werden so ange steuert, daß die erzeugte Ultraschallenergie in einem Bündel gerichtet oder gelenkt wird. Um dies zu erreichen, werden den mehreren Pulsern 28 entsprechende Zeitverzögerungen zugeteilt. Jeder Pulser ist mit einem entsprechenden Wandlerelement über die T/R Schalter verbunden. Die Sendefokus-Zeitverzögerungen werden vorzugsweise aus einer Nachschlagetabelle (look-up table) 32 ausgelesen. Durch eine in üblicher Weise vorgenommene geeignete Einstellung der Sendefokus-Zeitverzögerungen kann das Ultraschallbündel um einen Winkel θ von der Achse Y ausgelenkt und/oder bei einer festen Entfernung R fokussiert werden. Eine Sektorabtastung wird durchgeführt, indem man progressiv in aufeinanderfolgenden Anregungen die Sendefokus-Zeitverzögerun gen ändert. Der Winkel θ wird somit inkrementell verändert, um das gesendete Bündel in eine Aufeinanderfolge von Richtungen zu lenken.

Die bei jedem Ultraschall-Energiestoß erzeugten Echosignale reflektieren an den Objekten, die sich in aufeinanderfolgenden Entfernungen entlang dem Ultraschallbündel befinden. Die Echo signale werden separat von jedem Wandlerelement 26 abgefühlt, und eine Abtastung der Größe des Echosignals zu einem bestimm ten Zeitpunkt repräsentiert den Betrag der bei einem bestimmten Abstand auftretenden Reflexion. Aufgrund der Unterschiede in den Ausbreitungswegen zwischen einem reflektierenden Punkt P und jedem Wandlerelement 26 werden diese Echosignale jedoch nicht gleichzeitig erfaßt bzw. detektiert und ihre Amplituden werden nicht gleich sein. Der Empfangsabschnitt des Bündelfor mers 2 teilt jedem empfangenen Signal die richtige Zeitverzöge rung zu und summiert sie auf zur Bildung eines einzigen Echo signals, das ein genaues Maß der insgesamten Ultraschallenergie ist, die von einem Punkt P in der Entfernung R entlang dem unter dem Winkel θ orientierten Ultraschallbündel reflektiert wird. Um dies zu erreichen, werden einer Vielzahl von Empfangs kanälen 34 entsprechende Empfangsfokus-Zeitverzögerungen zuge teilt. Jeder Empfangskanal ist über einen T/R Schalter mit einem entsprechenden Wandlerelement verbunden. Die Empfangsfo kus-Zeitverzögerungen werden vorzugsweise aus einer Nachschla getabelle 38 ausgelesen. Die Empfangskanäle besitzen ebenfalls (nicht gezeigte) Schaltkreise zum Apodisieren und Filtern der empfangenen Impulse. Die zeitverzögerten Empfangssignale werden sodann im empfangsseitigen Summierer 36 aufsummiert.

In Fig. 3 enthält der Empfangsabschnitt des Bündelformers 2 einen Abschnitt für die Zeit/Verstärkungssteuerung sowie einen Abschnitt zur empfangsseitigen Bündelformung. Der Abschnitt für die Zeit/Verstärkungssteuerung (TGC Time-gain control) enthält einen jeweiligen Verstärker 40 für jeden der Empfängerkanäle 34 sowie eine Zeit/Verstärkungssteuerschaltung 42. Der Eingang von jedem Verstärker 40 ist mit einem entsprechenden Wandlerelement 26 verbunden, um das von ihm empfangene Echosignal zu verstär ken. Die Größe der von den Verstärkern 40 vorgesehenen Verstär kung wird gesteuert über eine TGC Schaltung 42, die über von Hand bestätigte mehrere Potentiometer 44 eingestellt wird.

Der empfangsseitige Abschnitt für die Bündelformung enthält separate Empfangskanäle 34. Jeder Empfangskanal 34 empfängt das analoge Echosignal von einem der Verstärker 40. Jedes verstärk te Signal wird auf ein Paar von Quadraturdetektoren in dem entsprechenden Empfängerkanal übertragen, wobei die Phasen der Misch-Referenzfrequenz um 90° voneinander abweichen. Da diese Referenzfrequenz identisch zu der der gesendeten Impulse ausge legt ist, werden die Ausgänge von einem Tiefpaßfilter in dem Empfangskanal zu komplexen Signalen (I und Q) mit um 90° von einander abweichenden Phasen. Diese Signale werden als ein Strom von digitalisierten Ausgangswerten auf einem I Bus 45a und auf einem Q Bus 45b (oder einem äquivalenten HF Bus) ausge geben. Jedes dieser I und Q Basisbandsignale repräsentiert eine demodulierte Abtastung der Einhüllenden des Echosignals bei einem bestimmten Abstand R. Diese Abtastungen bzw. Sampels wurden so verzögert, daß, wenn sie an den Summierungspunkten 36a und 36b mit den Abtastungen von I und Q von jedem der weiteren Empfangskanäle 34 aufsummiert werden, die aufsummier ten Signale die Größe sowie die Phase des Echosignals angeben, das von einem Punkt P im Abstand R auf dem gesteuerten Bündel (θ) reflektiert wurde.

Ein in dem B-Mode Prozessor 4 eingefügter Detektor 46 empfängt die Bündelabtastungen bzw. -sampels von den Summierpunkten 45a und 45b. Die Werte I und Q von jeder Bündelabtastung sind Signale, welche die gleichphasigen sowie die um 90° phasenver schobenen Anteile der von einem Punkt (R,θ) reflektierten Schallgröße repräsentieren. Der Detektor 46 errechnet die Größe (I² + Q²)^1/2, welche die Einhüllende der Basisbanddaten reprä sentiert. Wenn es sich bei den Bündelabtastungen um HF Daten handelt, kann die Signaleinhüllende über einen standardmäßigen Gleichrichter mit einem anschließenden Tiefpaßfilter erhalten werden. Die B-Mode Funktion bildet die zeitveränderliche Ampli tude der Signaleinhüllenden mit einiger zusätzlicher Verarbei tung (nachfolgend als "Nachdetektions-Bildverarbeitung" ange sprochen), zum Beispiel mit einer Kantenverstärkung und log arithmischen Kompression, als Grauskala ab.

Der Abtastumsetzer 64 (vgl. Fig. 1) empfängt die Displaydaten von dem B-Mode Prozessor 4 und wandelt die Daten um zu dem gewünschten Bild für die Darstellung. Insbesondere konvertiert der Abtastumsetzer 24 die akustischen Bilddaten vom Polarkoor dinaten-(R-θ)Sektorformat oder vom Cartesischen linearen Koordinatenfeld in geeignet skalierte Display-Pixeldaten bei der Videofrequenz in Cartesischen Koordinaten. Diese Abtast konvertierten akustischen Daten werden sodann zur Anzeige auf dem Displaymonitor 22 ausgegeben, der die sich mit der Zeit verändernde Amplitude der Signaleinhüllenden als eine Grauskala abbildet.

Die Ultraschall-Bildgebung leidet unter der inhärenten Arte faktbildung, die als Maserung bzw. Vergriesung (Speckle) be zeichnet wird. Bei der Maserung handelt es sich um eine Aderung bzw. Marmorierung (mottling), die man bei den aus Interferenz mustern von mehrfach empfangenen Echos erzeugten Bildern fin det. Diese Marmorierung wird hauptsächlich von dem toten Punkt (null) in dem akustischen Interferenzmuster gebildet, jedoch können auch andere Anomalien in der Abbildung eine Marmorierung verursachen, z. B. elektronisches Grundrauschen. Die akustischen Nullpunkte werden betont bzw. erhöht durch die logarithmische Kompression, die zur Darstellung des vollen Dynamikbereiches der Ultraschall-Abbildung erforderlich ist. Diese toten Punkte erscheinen als schwarze Löcher in der Abbildung. Es ist wün schenswert, die Maserung bzw. das Speckle zu minimieren, um die Bildqualität zu verbessern.

Die Bildverarbeitung nach der Detektion besteht im allgemeinen aus einer (logarithmischen) dynamischen Bereichskompression, einem Tiefpaßfilter sowie einem Kantenverbesserungsfilter. Obwohl diese bei verschiedenen Scannern in unterschiedlicher Reihenfolge angeordnet sein können, werden diese Maßnahmen gewöhnlich in sequentieller Weise vorgenommen. Traditionell ist das Tiefpaßfilter so ausgelegt, daß es eine Verfremdung bzw. ein Aliasing vor dem Abwärtssampeln der Daten verhindert, es kann aber auch die Rolle der Maserungsverringerung bei einem breitbandigen Abbildungssystem spielen. Das Kantenverbesse rungsfilter ist üblicherweise ein Hochpaßfilter, das auf die logarithmisch komprimierten Daten einwirkt.

Detektierte bzw. erfaßte Bilder einer tatsächlichen Anatomie enthalten gewöhnlich sowohl große reflektierte Signale (von Kanten) als auch eine mit kleiner Amplitude auftretende Mase rung (von weichem Gewebe). Wenn daher das Tiefpaßfilter sowie das Hochpaßfilter ihre Aufgaben schlicht in blinder Weise ausführen, besteht stets eine Tendenz für diese Filter, die Kanten zu verschmieren bzw. die Hintergrundmaserung zu verstär ken. Mit einer Konfiguration zur sequentiellen Verarbeitung ist es sehr schwierig, die Tiefpaß- und Hochpaßfilter davon abzu halten, auf die falschen Merkmale einzuwirken. Das Beste, was oft erreicht werden kann, ist ein Kompromiß zwischen dem Glät ten von Maserung und der Kantenverbesserung.

Die Fig. 4A-4C zeigen drei grundsätzliche Konfigurationen nach dem Stand der Technik zur sequentiellen Verarbeitung im Anschluß an die Detektion bei einem Ultraschall-Bildgebungs system. Die in Fig. 4A gezeigte erste Konfiguration ist ähn lich zu dem für analoge Systeme benutzen Nachdetektions- Verarbeitungsverfahren und enthält in einer Aufeinanderfolge eine Einrichtung 48 zur logarithmischen Datenkompression, ein Hochpaßfilter 50 zur Kantenverbesserung und ein Tiefpaßfilter 52. Bei dem Tiefpaßfilter 52 handelt es sich typischerweise um ein IIR Filter von 4-ter bis 6-ter Ordnung mit einer Grenzfre quenz, die entsprechend der Dezimationsrate vor der Abtastkon version eingestellt ist. Ein Vorteil der ersten Konfiguration liegt darin, daß das Hochpaßfilter 50 für eine Kantenverbesse rung bei logarithmisch komprimierten Bildern wirksam ist. Wenn das detektierte Bild einer Hochpaßfilterung vor der logarithmi schen Kompression unterworfen wird, würde wahrscheinlich der Kantenverbesserungseffekt durch die logarithmische Kompression vermindert werden. Ein Nachteil der ersten Konfiguration liegt darin, daß ein Tiefpaßfilter nach der logarithmischen Kompres sion als gegen eine Verfremdung bzw. gegen ein Aliasing wirkend bedacht ist und weniger wirksam ist zur Verringerung von Mase rung.

Eine zweite Konfiguration ist in Fig. 4B gezeigt. In einer tatsächlichen Ausführung dieser Konfiguration kann der Dezi mator oder Frequenzumsetzer (rate converter) vor dem Kantenver besserungsfilter 50 erscheinen. Somit kann das Tiefpaßfilter 52 dem doppelten Zweck dienen, nämlich der Glättung von Maserungen sowie zum Antialiasing. Ein Vorteil der zweiten Konfiguration liegt darin, daß das Tiefpaßfilter optimal (sozusagen stromauf wärts von der nichtlinearen Kompression) für die Maserungsre duktion positioniert ist. Nachteile der zweiten Konfiguration liegen darin, daß das Tiefpaßfilter dazu tendiert, die Kanten zu verschmieren; das Hochpaßfilter kann darüber hinaus die Hintergrundmaserung verstärken und dadurch die Wirkungen des Tiefpaßfilters aufheben; und die Lage des Tiefpaßfilters ist nicht optimal für das Antialiasing, da die Signalbandbreite sich nach der logarithmischen Kompression wieder vergrößert.

Eine dritte Konfiguration ist in Fig. 4C gezeigt. Wie bei der zweiten Konfiguration kann die Dezimation sowie die Frequenzum setzung vor der Filterung zur Kantenverbesserung erfolgen. Die hauptsächliche Verbesserung liegt in der adaptiven Natur des Kantenverbesserungsfilters, das typischerweise parallele Zweige eines Hochpaßfilters und eines Allpaßfilters enthält. Vorteile der dritten Konfiguration liegen darin, daß das adaptive Kan tenverbesserungsfilter versucht, basierend auf ihren Amplitu denunterschieden Kanten von Maserungen voneinander zu unter scheiden; und daß das Kantenverbesserungsfilter dazu tendiert, nur Kanten mit großer Amplitude zu verbessern. Folgende Nach teile sind darin enthalten: die Kanten sind bereits durch das Tiefpaßfilter verschmiert, bevor die prozessierten Signale das adaptive Kantenverbesserungsfilter erreichen; und die Lage der adaptiven Einrichtung ist nicht optimal, d. h. die Unterschiede zwischen Kanten- und Maserungsamplituden sind bereits durch die logarithmische Kompression beträchtlich verringert.

Gemäß einer (nicht gezeigten) vierten Konfiguration wird das HF Spektrum in zwei oder mehrere Teilbänder aufgeteilt, die dann separat detektiert werden. Ein Aufsummieren der inkohärenten Bilder nach der Detektion stellt einen wirksamen Weg zur Mase rungsverminderung dar. Jedoch weist diese Form der Frequenzzu sammensetzung (Frequenz-Compoundierung) dieselbe statistische Leistungsfähigkeit auf wie die in Fig. 4B gezeigte zweite Konfiguration. Während die inkohärente Aufsummierung nach der Detektion die Maserung verringern kann, weist das Aufspalten des HF Spektrums denselben (die Kanten verschmierenden) Effekt der Verschlechterung der Auflösung auf wie das Tiefpaßfilter in der zweiten Konfiguration.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfah ren sowie eine Einrichtung zur adaptiven Verbesserung der B- Mode Abbildung während der im Anschluß an die Detektierung erfolgenden Bildverarbeitung in einem Ultraschall-Bildgebungs system anzugeben. Das Glätten von Maserung bzw. Speckle und die Kantenverbesserung stellen oft einander widersprechende Anfor derung an die Auslegung eines B-Mode Nachdetektionsprozessors dar. Ein Tiefpaßfilter, das Maserungen glätten kann, wird auch dazu tendieren, jegliche Kanten in einem detektierten Bild zu verschmieren. Ein Hochpaßfilter, das zur Kantenverbesserung gedacht ist, tendiert auch zur Verstärkung der Hintergrundmase rung oder zum Aufheben der Wirkungen des Glättungsfilters. Darüber hinaus ergibt eine auf das Optimum abzielende Abschät zungstheorie, daß eine Maserungsglättung am besten vor einer jeglichen nichtlinearen Kompression durchgeführt wird, während eine Filterung zur Kantenverbesserung wirksamer durchgeführt wird nach einer logarithmischen Kompression. Aus diesen Gründen ist das Beste, was sequentielle Nachdetektions-Verarbeitungs verfahren in konventionellen B-Mode Systemen erreichen können, ein Kompromiß zwischen der Maserungsglättung und der Kantenver besserung.

Die vorliegende Erfindung benutzt eine Technik zur Bildverbes serung im Anschluß an die Detektion bzw. Erfassung, die auf parallelen Signalzweigen zur Leistung einer adaptiven B-Mode Bildverbesserung basiert. Die parallelen Signalzweige gemäß dieser Technik enthalten einen Hochpaßfilterzweig zur selekti ven Verbesserung der Kanten in dem Bild sowie einen Tiefpaßfil terzweig zum selektiven Glätten lediglich der Hintergrundmase rung. Im Vergleich zu konventionellen Nachdetektions-Verarbei tungsverfahren erfordert das Verfahren gemäß der Erfindung hauptsächlich eine zusätzliche logarithmische Operation und kann sowohl als Software als auch als Hardware implementiert werden.

Gemäß der bevorzugten Ausführung für den adaptiven B-Mode Bildverbesserer werden ein Tiefpaßfilter, das Maserungen aus glättet, sowie ein Hochpaßfilter, das die Kanten verbessert, in parallelen Signalzweigen angeordnet, die mit dem Ausgang des Einhüllendendetektors verbunden sind. Die Signale in dem Zweig mit dem Hochpaßfilter werden vor der Hochpaßfilterung logarith misch komprimiert. Die Signale in dem Tiefpaßfilterzweig werden nach der Tiefpaßfilterung logarithmisch komprimiert. Entspre chende Gewichtungsfaktoren werden auf die mittels Tiefpaß- und Hochpaßfilter gefilterten Signale angewendet über eine Einrich tung zur adaptiven Gewichtung, welche als ein Prozessor oder als eine Nachschlagetabelle ausgeführt sein kann. Die gewichte ten, mittels Tiefpaß- und Hochpaßfilter gefilterten Signale werden dann auf summiert und als Option in ein Tiefpaßfilter zum Antialiasing eingegeben, und zwar vor der Dezimation und Ab tastumsetzung.

Allgemein kann die gesamte adaptive Gewichtungs- und Summie rungsoperation auch in der Form einer Nachschlagetabelle imple mentiert werden, vorausgesetzt, sowohl die tiefpaß- als auch die hochpaßgefilterten Signale stehen als Eingänge zur Verfü gung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einem Ausführungsbei spiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der hauptsächlichen funktionalen Untersysteme in einem Echtzeit-Ultraschall-Bildgebungssystem;

Fig. 2 ein Blockschaltbild mit Details der Aussendeimpuls- und Empfangsuntersysteme, die in dem in Fig. 1 gezeigten System vorgesehen sind;

Fig. 3 ein Blockschaltbild mit einem Empfänger bzw. einem Detektor, die Teile des Bündelformers und B-Mode Prozessors in dem in Fig. 1 gezeigten System bilden;

Fig. 4A-4C Blockschaltbilder von drei sequentiellen, nach der Detektion erfolgenden Bildverarbeitungstechniken nach dem Stand der Technik; und

Fig. 5 ein Blockschaltbild, das eine adaptive B-Mode Bildver besserungstechnik gemäß einer bevorzugten Ausführung der vor liegenden Erfindung zeigt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 enthält die vorliegende Erfindung eine adaptive Einrichtung 54 zur B-Mode Bildverbesserung, die in einem B-Mode Prozessor enthalten ist, um das Ausgangssignal eines Einhüllendendetektors des in Fig. 3 (d. h. im Block 46) gezeigten Typs zu empfangen. Gemäß der bevorzugten Ausführung der Erfindung enthält der adaptive B-Mode Bildverbesserer 54 eine Konfiguration mit einem Parallelzweig, welche die Vorteile der alternativen Konfigurationen nach dem Stand der Technik miteinander kombiniert und deren Nachteile vermeidet. Dieser adaptive B-Mode Bildverbesserer 54 stellt nicht einfach ein adaptives Kantenverbesserungsfilter der in Fig. 4C gezeigten Form dar, sondern bildet vielmehr ein mehr allgemeineres Nach detektions-Bildverbesserungsverfahren, das ein Maserungsverrin gerungsfilter sowie eine logarithmische Kompression enthält. Weiterhin ist der adaptive B-Mode Bildverbesserer 54 in seiner in Fig. 5 gezeigten allgemeinsten Form nicht beschränkt auf eine eindimensionale oder Vektor für Vektor vorgenommene Bear beitung, sondern kann auch zweidimensionale Filter für eine zweidimensionale Bildverarbeitung benutzen.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird die Ausgangsgröße von dem Einhüllendendetektor in dem B-Mode Prozessor ausgegeben an einen ersten Block 48a für eine logarithmische Kompression, an ein erstes Tiefpaßfilter 52a sowie an einen ersten Eingang eines Blocks 56 für eine adaptive Gewichtung. Die logarithmi sche Kompressionsfunktion 48a ist vorzugsweise in einer softwa remäßig programmierbaren Nachschlagetabelle untergebracht. Die logarithmisch komprimierten Daten werden sodann ausgegeben an ein Hochpaßfilter zur Kantenverbesserung und an einen zweiten Eingang des Blocks 56 für die adaptive Gewichtung. Die über ein Hochpaßfilter gefilterten logarithmisch komprimierten Daten werden an einen Multiplizierer 58a ausgegeben sowie auf einen dritten Eingang des Blocks 56 für die adaptive Gewichtung.

Das Tiefpaßfilter 52a ist vorzugsweise ein Filter mit endlicher Impulsantwort. Die tiefpaßgefilterten Daten werden ausgegeben an einen zweiten logarithmischen Kompressionsblock 48b sowie an einen vierten Eingang des Blocks 56 für die adaptive Gewich tung. Die logarithmische Kompressionsfunktion 48b ist ebenfalls vorzugsweise in einer softwaremäßig programmierbaren Nachschla getabelle untergebracht. Die logarithmisch komprimierten, von einem Tiefpaßfilter gefilterten Daten werden ausgegeben an einen Multiplizierer 58b und an einen fünften Eingang des Blocks 56 für die adaptive Gewichtung.

In Abhängigkeit von der Art der Anwendung kann der Block 56 für die adaptive Gewichtung eine jeweilige Kombination der in Fig. 5 gezeigten Dateneingänge verwenden. Die Gewichtungszuordnungen können entweder durch einen Satz von Gleichungen oder durch Nachschlagetabellen spezifiziert werden. Der Block 56 für die adaptive Gewichtung gibt eine erste Gewichtung W1 an den ersten Multiplizierer 58a aus sowie eine zweite Gewichtung W2 an den zweiten Multiplizierer 58b. Die Summe der Gewichtungen W1 und W2 ist gleich eins. Der Multiplizierer 58a gibt ein Signal ab, welches das Produkt aus der Gewichtung W1 mal dem kantenverbes serten Signalausgang von dem Hochpaßfilter 50 darstellt, wäh rend der Multiplizierer 58b ein Signal abgibt, welches das Produkt aus der Gewichtung W2 mal dem maserungsreduzierten Signalausgang vom Block 48b darstellt. Diese Ausgänge der Multiplizierer werden ihrerseits in einem Summierer 60 addiert. Wenn beide komprimierten tiefpaß- und hochpaßgefilterten Signa le als Eingänge benutzt werden, ist es ebenfalls möglich, die gesamte adaptive Gewichtungsfunktion 56, 58a und 58b sowie die Summieroperation 60 in der Form einer Nachschlagetabelle zu implementieren. Das aufsummierte Signal wird dann an ein optio nales Antialiasing-Tiefpaßfilter 52b ausgegeben. Alternativ kann das aufsummierte Signal vor der Abtastumsetzung an einen Dezimator oder direkt zu dem Abtastumsetzer geschickt werden.

Im einfachsten Fall kann der Block 56 für die adaptive Gewich tung die Gewichtungen basierend lediglich auf dem Ausgang von dem Tiefpaßfilter 52a zuteilen. Wenn der Ausgang groß ist (Kante), wird die Gewichtung auf dem Ausgang des Kantenverbes serungsfilters größer und ein Glätten (Verschmieren) wird minimiert. Wenn die Amplitude klein ist (Maserung), sollte die Gewichtung auf dem geglätteten und komprimierten Ausgang rela tiv größer sein.

Um ein weiteres Beispiel zu geben: um die Grenzen einer Zyste bei einer Unterleibsabtastung zu erfassen, kann der Block für die adaptive Gewichtung die Differenz zwischen dem kantenver bessernden Ausgang des Hochpaßfilters und dem logarithmisch komprimierten Ausgang des Tiefpaßfilters überwachen. Wenn eine große Differenz vorliegt (Grenze), wird dem Ausgang des Hoch paßfilters für die Kantenverbesserung eine höhere Gewichtung zugeteilt.

Im Gegensatz zum Stand der Technik enthält der in Fig. 5 gezeigte adaptive B-Mode Bildverbesserer 54 zwei separate Tiefpaßfilter 52a und 52b. Bei dem ersteren handelt es sich um ein Glättungsfilter, das Teil des adaptiven B-Mode Bildverbes serers 54 ist, und bei dem letzteren handelt es sich um ein Antialiasing-Filter, das als Option zwischen dem adaptiven B- Mode Bildverbesserer 54 und dem Dezimator oder Abtastumsetzer vorgesehen werden kann. Die Tiefpaßfilter 52a und 52b sind getrennt, weil sie verschiedenen Funktionen dienen, die am besten an verschiedenen Punkten in der Signalverarbeitungskette ausgeführt werden.

Ein FIR Filter mit Konstantabgriff (box-car für 1D Vektorverar beitung) ist das bevorzugte Tiefpaßfilter zur Maserungsverrin gerung, weil es den Mittelwert des detektierten Einhüllenden signals ergibt, von dem gezeigt worden ist, daß darin die beste Abschätzung für die zugrundeliegende rückgestreute Energie liegt.

Das Hochpaßfilter 50 für die Kantenverbesserung ist nicht auf ein FIR Filter beschränkt. Es kann auch unter Verwendung eines IIR Filters implementiert werden, da sein Dateneingang einen komprimierten Dynamikbereich besitzt derart, daß jeglicher Übergang in einem Filterausgangssignal sehr klein sein sollte.

Die adaptive Gewichtung gemäß dem breiten Konzept der Erfindung kann eine Funktion sein von einem oder mehreren der folgenden Gesichtspunkte, wie aus Fig. 5 zu ersehen ist: von dem Detek torausgang, von dem logarithmisch komprimierten Detektoraus gang; von dem Ausgang des Hochpaßfilters 50; von dem Ausgang des Tiefpaßfilters 52a; und von dem logarithmisch komprimierten Ausgang des Tiefpaßfilters.

Im Vergleich zum Stand der Technik erfordert der adaptive B- Mode Bildverbesserer 54 in erster Linie eine zusätzliche loga rithmische Operation, die jedoch keine größere zusätzliche Rechenlast oder Hardwarekosten mit sich bringen sollte.

Zusätzlich kann der adaptive B-Mode Bildverbesserer 54 imple mentiert werden entweder in Hardware (z. B. mit diskreten Kompo nenten oder mittels ASICs) oder als Software (z. B. mit digita len Signalprozessoren oder mit PentiumPro).

Die vorstehenden bevorzugten Ausführungen wurden zum Zweck der Veranschaulichung beschrieben. Abänderungen und Modifikationen werden sich unschwer für Fachleute auf dem Gebiet der Ultraschall-Bildgebungssysteme ergeben. Alle derar tigen Abänderungen und Modifikationen sollen durch die nachfol gend aufgeführten Ansprüche umfaßt werden.

Claims

1. B-Mode Prozessor (54) für ein Ultraschall-Bild gebungssystem enthaltend:
einen Einhüllendendetektor (46) mit einem Ausgang;
eine erste Einrichtung (48a) zur logarithmischen Daten kompression mit einem Eingang zum Aufnehmen des Ausgangssignals von dem Einhüllendendetektor (46) und mit einem Ausgang;
eine Hochpaßfiltereinrichtung (50) zur Kantenverbesserung mit einem Eingang zum Aufnehmen des Ausgangssignals von der ersten Einrichtung (48a) zur logarithmischen Datenkompression und mit einem Ausgang;
eine erste Tiefpaßfiltereinrichtung (52a) zum Glätten bzw. Ausgleichen von (Bild)Maserungen mit einem Eingang zum Aufnehmen des Ausgangssignals von dem Einhüllendendetektor (46) und mit einem Ausgang;
eine zweite Einrichtung (48b) zur logarithmischen Daten kompression mit einem Eingang zum Aufnehmen des Ausgangssignals von der ersten Tiefpaßfiltereinrichtung (52a) und mit einem Ausgang; und
eine adaptive Einrichtung (56) zur Bildverbesserung mit Eingangsmitteln, die mit mindestens einem der genannten Ausgän ge verbunden sind, sowie mit einer Einrichtung (60) zur Ausgabe eines Signals, das die Summe aus einem ersten auf einen Signal ausgang von der Hochpaßfiltereinrichtung (50) angewendeten Gewichtungsfaktor und aus einem zweiten auf einen Signalausgang von der ersten Tiefpaßfiltereinrichtung (52a) angewendeten Gewichtungsfaktor darstellt, wobei die ersten und zweiten Gewichtungsfaktoren bestimmt sind als eine Funktion eines von einem der genannten Ausgänge erhaltenen Signals.

2. Prozessor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptive Einrichtung (54) zur Bildverbesserung enthält:
eine adaptive Gewichtungseinrichtung (56) mit Eingangs mitteln, die mit mindestens einem der genannten Ausgänge ver bunden sind, sowie mit ersten und zweiten Ausgängen, wobei die adaptive Gewichtungseinrichtung die ersten und zweiten Gewich tungsfaktoren an dem ersten bzw. zweiten Ausgang ausgibt;
einen ersten Multiplizierer (58a) mit einem ersten Ein gang, der mit dem ersten Ausgang der adaptiven Gewichtungsein richtung (56) verbunden ist, mit einem zweiten Eingang zum Aufnehmen des Ausgangs von der Hochpaßfiltereinrichtung (50) und mit einem Ausgang, wobei der erste Multiplizierer (58a) ein Signal ausgibt, welches das Produkt aus den an den ersten und zweiten Eingängen des ersten Multiplizierers (58a) empfangenen Signalen darstellt;
einen zweiten Multiplizierer (58b) mit einem ersten Ein gang, der mit dem zweiten Ausgang der adaptiven Gewichtungsein richtung (56) verbunden ist, mit einem zweiten Eingang zum Aufnehmen des Ausgangs von der zweiten Einrichtung (48b) zur logarithmischen Datenkompression und mit einem Ausgang, wobei der zweite Multiplizierer (58b) ein Signal ausgibt, welches das Produkt aus den an den ersten und zweiten Eingängen des zweiten Multiplizierers (58b) empfangenen Signalen darstellt; und
eine Summiereinrichtung (60) mit ersten und zweiten Ein gängen zum Aufnehmen der ersten und zweiten Ausgänge von dem ersten bzw. zweiten Multiplizierer (58a bzw. 58b) sowie mit einem Ausgang, wobei die Summiereinrichtung (60) ein Signal am Ausgang ausgibt, welches die Summe der an ihren Eingängen empfangenen Signale darstellt.

3. Prozessor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die adaptive Einrichtung (56) zur Bildverbesse rung eine Nachschlagetabelle (look-up table) enthält, in der ein Adressiereingang mit dem einen von den genannten Ausgängen verbunden ist.

4. Prozessor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gewichtungs faktoren bestimmt sind als eine Funktion des von dem Ausgang der ersten Tiefpaßfiltereinrichtung (52a) empfangenen Signals.

5. Prozessor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gewichtungsfaktoren bestimmt sind als eine Funktion der Differenz zwischen dem von dem Ausgang der Hochpaßfiltereinrichtung (50) empfangenen Signal und dem von dem Ausgang der zweiten Einrichtung (48b) zur logarithmischen Datenkompression empfangenen Signal.

6. Prozessor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er weiter eine zweite Tiefpaßfil tereinrichtung (52b) zum Antialiasing bzw. zur Unterstützung gegen eine Verfremdung enthält mit einem Eingang zum Aufnehmen des Ausgangs der adaptiven Einrichtung (54) zur Bildverbesse rung.

7. Verfahren zur Bildbearbeitung in einem Ultraschall- Bildgebungssystem nach der Detektion bzw. Erfassung, enthaltend die folgenden Schritte:
logarithmisches Komprimieren eines Stromes von digitalen Abtastungen bzw. Sampeln, die eine Einhüllende darstellen, um einen logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom zu erzeugen;
Hochpaßfiltern des logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstromes zum Erzeugen eines ein Bild mit verbesserten Kanten darstellenden hochpaßgefilterten logarithmisch kompri mierten digitalen Sampelstromes;
Tiefpaßfiltern des eine Einhüllende darstellenden digita len Sampelstromes zum Erzeugen eines tiefpaßgefilterten digita len Sampelstromes mit geglätteter (Bild)Maserung;
logarithmisches Komprimieren des tiefpaßgefilterten digi talen Sampelstromes, um einen logarithmisch komprimierten tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstrom zu erzeugen; und
Erzeugen eines bildverbesserten Signals, welche die Summe darstellt aus einem auf den hochpaßgefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom angewendeten ersten Gewich tungsfaktor und aus einem auf den tiefpaßgefilterten logarith misch komprimierten digitalen Sampelstrom angewendeten zweiten Gewichtungsfaktor.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gewichtungsfaktoren bestimmt sind als eine Funktion von mindestens einem der folgenden Datenströ me: dem eine Einhüllende darstellenden Strom von digitalen Abtastungen bzw. Sampeln; dem logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom; dem hochpaßgefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom; dem tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstrom; und dem logarithmisch komprimierten tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstrom.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gewichtungsfaktoren bestimmt sind als eine Funktion des tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstro mes.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gewichtungsfaktoren bestimmt sind als eine Funktion der Differenz zwischen dem hochpaßgefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom und dem logarithmisch komprimierten tiefpaßgefilterten digitalen Sam pelstrom.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter den Schritt einer Tiefpaßfilte rung des bildverbesserten Signals enthält.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter den Schritt der Anzeige eines von dem bildverbesserten Signals abgeleiteten Bildes enthält.

13. Ultraschall-Bildgebungssystem enthaltend:
ein Wandlerarray (20) mit einer Vielzahl von piezoelek trischen Wandlerelementen;
einen Bündelformer (2) mit einer Vielzahl von Bündelfor merkanälen (34);
Schaltmittel (28) zur Verbindung der piezoelektrischen Wandlerelemente (26) mit den Bündelformerkanälen (34);
einen Einhüllendendetektor (46), der so geschaltet ist, daß er einen Strom von digitalen Abtastungen bzw. Sampeln empfängt, die ein Empfangsbündel von dem Bündelformer darstel len, und einen eine Einhüllende darstellenden digitalen Sampel strom abgibt;
eine Einrichtung (48a) zum logarithmischen Komprimieren des eine Einhüllende darstellenden digitalen Sampelstromes, um einen logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom zu erzeugen;
eine Einrichtung (50) zum Hochpaßfiltern des logarith misch komprimierten digitalen Sampelstromes, um einen hochpaß gefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom zu erzeugen, der ein Bild mit verbesserten Kanten darstellt;
eine Einrichtung (52a) zum Tiefpaßfiltern des eine Ein hüllende darstellenden digitalen Sampelstromes, um einen tief paßgefilterten digitalen Sampelstrom mit geglätteter Maserung zu erzeugen;
eine Einrichtung (48b) zum logarithmischen Komprimieren des tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstromes, um einen loga rithmisch komprimierten tiefpaßgefilterten digitalen Sampel strom zu erzeugen;
eine Einrichtung zum Erzeugen eines bildverbesserten Sig nals, welches die Summe darstellt aus einem auf den hochpaßge filterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom angewendeten ersten Gewichtungsfaktor und aus einem auf den tiefpaßgefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sam pelstrom angewendeten zweiten Gewichtungsfaktor; und
eine Einrichtung (22) zur Anzeige- bzw. zum Display eines von dem bildverbesserten Signal abgeleiteten Bildes.

14. Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gewichtungs faktoren bestimmt sind als eine Funktion von mindestens einem der folgenden Datenströme: dem eine Einhüllende darstellenden Strom von digitalen Abtastungen bzw. Sampeln; dem logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom; dem hochpaßgefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom; dem tiefpaß gefilterten digitalen Sampelstrom; und dem logarithmisch kom primierten tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstrom.

15. Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gewichtungs faktoren bestimmt sind als eine Funktion des tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstromes.

16. Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Gewichtungs faktoren bestimmt sind als eine Funktion der Differenz zwischen dem hochpaßgefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom und dem logarithmisch komprimierten tiefpaßgefil terten digitalen Sampelstrom.

17. Ultraschall-Bildgebungssystem nach einem der Ansprü che 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter eine Einrichtung zum Tiefpaßfiltern des bildverbesserten Signals vor der Anzeige enthält.

18. Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines bildverbesserten Signals enthält:
eine Einrichtung zum Anwenden eines ersten Gewichtungs faktors auf den hochpaßgefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom, um einen gewichteten hochpaßgefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampelstrom zu bilden;
eine Einrichtung zum Anwenden eines zweiten Gewichtungs faktors auf den logarithmisch komprimierten tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstrom um einen gewichteten logarithmisch kom primierten tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstrom zu bilden; und
eine Einrichtung zum Aufsummieren des gewichteten hoch paßgefilterten logarithmisch komprimierten digitalen Sampel stromes und des gewichteten logarithmisch komprimierten tief paßgefilterten digitalen Sampelstromes, um das bildverbesserte Signal zu bilden.

19. Ultraschall-Bildgebungssystem nach einem der Ansprü che 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines bildverbesserten Signals eine Nachschlagetabel le enthält.

20. Ultraschall-Bildgebungssystem enthaltend:
ein Wandlerarray mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen;
einen Bündelformer mit einer Vielzahl von Bündelformerka nälen;
Schaltmittel zum Verbinden der piezoelektrischen Wandler elemente mit den Bündelformerkanälen;
einen Einhüllendendetektor, der so geschaltet ist, daß er einen Strom von digitalen Abtastungen bzw. Sampeln empfängt, die ein Empfangsbündel von dem Bündelformer darstellen, und einen eine Einhüllende darstellenden digitalen Sampelstrom abgibt;
eine Einrichtung zum Hochpaßfiltern eines ersten digita len Sampelstromes, der von dem eine Einhüllende darstellenden Strom von digitalen Sampeln ableitet ist, um einen ein Bild mit verbesserten Kanten darstellenden hochpaßgefilterten digitalen Sampelstrom zu erzeugen;
eine Einrichtung zum Tiefpaßfiltern eines zweiten digita len Sampelstromes, der von dem eine Einhüllende darstellenden Strom von digitalen Sampeln abgeleitet ist, um einen tiefpaßge filterten digitalen Sampelstrom mit geglätteter Maserung zu erzeugen;
eine Einrichtung zum Anwenden eines ersten Gewichtungs faktors auf einen dritten digitalen Sampelstrom, der von dem hochpaßgefilterten digitalen Sampelstrom abgeleitet ist, um einen gewichteten hochpaßgefilterten digitalen Sampelstrom zu bilden;
eine Einrichtung zum Anwenden eines zweiten Gewichtungs faktors auf einen vierten digitalen Sampelstrom, der von dem tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstrom abgeleitet ist, um einen gewichteten tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstrom zu bilden;
eine Einrichtung zum Aufsummieren des gewichteten hoch paßgefilterten digitalen Sampelstromes und des gewichteten tiefpaßgefilterten digitalen Sampelstromes, um einen aufsum mierten digitalen Sampelstrom zu bilden; und
eine Einrichtung zum Anzeigen eines von dem aufsummierten digitalen Sampelstrom abgeleiteten Bildes.